InVEST模型在城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的應(yīng)用研究

王鈺雯 趙兵

摘要：科學(xué)構(gòu)建城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全、城市可持續(xù)發(fā)展及生物多樣性保護(hù)具有重要意義。本文基于對(duì)現(xiàn)有綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法及其不足的梳理，引入InVEST模型的生境質(zhì)量模塊，提出構(gòu)建以綠地生態(tài)本底功能與結(jié)構(gòu)空間相結(jié)合的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化的概念與方法框架，為城市生物多樣性的保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮以及城市綠地生態(tài)空間的合理規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：InVEST模型;城市綠地;生態(tài)網(wǎng)絡(luò);電路理論;阻力面

中圖分類號(hào)：TU984.115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）02-0-03

隨著城市發(fā)展的快速推進(jìn)，城市綠地建設(shè)的工作重心向城鄉(xiāng)一體化的綠化建設(shè)轉(zhuǎn)變[1]。城市綠地具有強(qiáng)大的功能特征，是推進(jìn)城市生態(tài)建設(shè)的核心，對(duì)于改善人與自然的關(guān)系具有重要意義[2-3]。城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)劃亟須更科學(xué)性、合理化、整體性的指導(dǎo)。探討城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，有利于促進(jìn)城市生態(tài)規(guī)劃的可持續(xù)發(fā)展。

1 綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究

綠地是構(gòu)成城市生態(tài)空間規(guī)劃的重要組成部分。綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（Urban Green Space Ecological Network）是指將分散的生態(tài)斑塊如城市公園、森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)、街頭綠地、濕地綠地等通過生態(tài)廊道進(jìn)行連接[4]，組成一個(gè)自然高效的、連續(xù)完整的、并具有一定自我調(diào)節(jié)能力的復(fù)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是一種生態(tài)保護(hù)和空間應(yīng)用思想，從功能和空間兩個(gè)方面解決環(huán)境問題。其在功能上強(qiáng)調(diào)生態(tài)作用和社會(huì)作用，在空間布局上強(qiáng)調(diào)連續(xù)性和網(wǎng)絡(luò)化。

2 InVEST模型生境質(zhì)量評(píng)估原理

InVEST模型（Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）即“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與權(quán)衡交易綜合評(píng)價(jià)模型”[5]。

在城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)是選取重要生態(tài)空間的基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究越來越多，隨之出現(xiàn)了很多相關(guān)的評(píng)價(jià)方法。目前主要有能值分析法、物質(zhì)量評(píng)估法和價(jià)值量評(píng)估法三種評(píng)估方法[6-7]，但是這三種方法的計(jì)算結(jié)果是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的大小，不能反映空間異質(zhì)性[6];InVEST模型實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間可視化表達(dá)，更為直觀地為研究數(shù)據(jù)的提取提供了科學(xué)依據(jù)。InVEST模型與其他模型相比，不僅具有情景預(yù)測功能，還能清晰顯現(xiàn)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的相關(guān)關(guān)系[8]。

本文借鑒InVEST模型在生境質(zhì)量上的評(píng)估，主要研究InVEST模型在綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的阻力面構(gòu)建方面的應(yīng)用。InVEST生境質(zhì)量模型是結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和生物多樣性威脅因素等信息，通過衡量由各個(gè)威脅因子造成的生境斑塊退化程度來評(píng)估生境斑塊的質(zhì)量。威脅影響隨距離變化的函數(shù)表達(dá)式為：

if linear

if exponential

在上面兩式中，dxy為柵格x和y之間的線性距離，dr max代表的是威脅因子r的最大作用距離。生境的退化程度通常使用具體的某一類型的生境在具體的柵格的總的威脅水平指數(shù)Dxj來表示，通過生境退化程度最后得出生境質(zhì)量Qxj：

在上式中，Sjr為類型的生境對(duì)威脅r的敏感性，Hj代表的是類型的生境適宜程度，Z=2.5，k 表示半飽和常數(shù)。

3 城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法研究

3.1 生態(tài)源地的識(shí)別及重要生態(tài)斑塊提取

生態(tài)源地是滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展生態(tài)需求的最小面積生態(tài)用地，區(qū)域生態(tài)源地的選擇對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的連接性和自我調(diào)節(jié)能力具有重大意義。生態(tài)源地的識(shí)別?；谏锒鄻有载S富度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性的考慮[9]，主要有關(guān)鍵生態(tài)資源選擇法、功能優(yōu)先法和空間優(yōu)先法這三種識(shí)別方法。

關(guān)鍵生態(tài)資源也稱生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，是指對(duì)城市區(qū)域具有重要生態(tài)意義的綠地或其他自然要素，包括主要河流及重要水體、森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)、山地丘陵、大型濕地、自然保護(hù)區(qū)、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等。該方法較為簡單，而且由于區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、不同類型的生態(tài)功能以及時(shí)空變化特征等易受到自然與人為因素的影響，所以單一依靠關(guān)鍵生態(tài)資源識(shí)別生態(tài)源地存在信息更新不及時(shí)、考慮因素過于單一且內(nèi)部差異性容易被忽略等問題。

功能優(yōu)先法以識(shí)別功能優(yōu)先空間為核心，其選取常從空間適宜性評(píng)價(jià)、生態(tài)重要性評(píng)價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值三個(gè)角度來確定?？臻g適宜性評(píng)價(jià)包含棲息地適宜性分析評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境敏感性分析、生態(tài)連通性指數(shù)分析;生態(tài)重要性評(píng)價(jià)常以生物多樣性保護(hù)、土壤保持、碳儲(chǔ)量、水源涵養(yǎng)等指標(biāo)進(jìn)行確定;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究內(nèi)容包括能值分析、價(jià)值評(píng)估、供給服務(wù)、指標(biāo)測度、等效因子法等。功能優(yōu)先法的選取雖然較為全面地考慮了生態(tài)空間本身的價(jià)值及其對(duì)周邊環(huán)境的生態(tài)服務(wù)功能與價(jià)值，但缺乏明確的空間評(píng)價(jià)指標(biāo)，在生態(tài)空間結(jié)構(gòu)上缺少權(quán)衡，使通過功能優(yōu)先法選擇出的生態(tài)空間不能落實(shí)到具體的城市用地空間上。

空間優(yōu)先法是基于特定目的識(shí)別將有效且高效的生態(tài)空間作為修復(fù)生態(tài)斑塊破碎化嚴(yán)重與強(qiáng)化城市生態(tài)空間的重要生態(tài)斑塊，多關(guān)注城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間分布與格局，主要采用景觀異質(zhì)性評(píng)價(jià)、景觀格局指數(shù)[10]、景觀中心度評(píng)價(jià)、形態(tài)學(xué)空間格局分析等方法進(jìn)行綠地空間結(jié)構(gòu)分析，從而選取生態(tài)源地及重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)。該方法重視區(qū)域生態(tài)空間結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，但是缺少對(duì)生態(tài)功能的考慮，使規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)缺乏針對(duì)性，無法促進(jìn)城市建設(shè)空間與綠地生態(tài)空間形成積極互動(dòng)。

在應(yīng)用研究中，單一的識(shí)別方法無法保證源地識(shí)別的完整性和科學(xué)性，而且存在忽略內(nèi)部差異性等問題，無法更科學(xué)合理地進(jìn)行識(shí)別與構(gòu)建。因此研究通常綜合多個(gè)方法識(shí)別生態(tài)源地，如Zetterberg A等從城鎮(zhèn)綠地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估、區(qū)域景觀格局分析和城鎮(zhèn)公園空間分析三種尺度，對(duì)研究區(qū)域綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化分析[11]。部分學(xué)者基于MCR模型和景觀功能結(jié)構(gòu)理論，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、綠地類型、景觀格局指數(shù)等方法分析了該地區(qū)綠地生態(tài)功能的空間差異[12]。結(jié)合研究，本文提出基于InVEST模型的生境質(zhì)量高值區(qū)評(píng)估，結(jié)合形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）和生態(tài)連接度，并以當(dāng)?shù)卣C布的生態(tài)紅線區(qū)域保護(hù)規(guī)劃作為參考，選取綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的生態(tài)源地及重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)，可以從區(qū)域生態(tài)功能和綠地空間結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面保證生態(tài)源地識(shí)別的科學(xué)性及完整性。

3.2 基于InVEST模型的阻力面的構(gòu)建

阻力面的構(gòu)建是識(shí)別及提取生態(tài)廊道的核心。阻力面反映了不同物種在穿過各類型空間時(shí)需要克服的景觀阻力，阻力面的賦值常結(jié)合研究區(qū)域基礎(chǔ)地形、土地覆蓋類型、植被類型及覆蓋程度、人類行為活動(dòng)以及距離進(jìn)行確定。不同的景觀阻力賦值對(duì)生態(tài)廊道的識(shí)別具有不同的影響[13]。

目前阻力面的構(gòu)建常根據(jù)不同的土地利用類型結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分配，但單一地利用土地覆被類型進(jìn)行賦值，無法考慮到同一用地類型的內(nèi)部差異性，忽視了城市生態(tài)與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的相互作用，無法準(zhǔn)確表現(xiàn)社會(huì)行為活動(dòng)影響下的復(fù)雜生態(tài)本底特征。因此，學(xué)者們相繼在土地覆被類型阻力值的基礎(chǔ)上，結(jié)合自然因素[14]、自然災(zāi)害因素以及人文因素構(gòu)建景觀阻力因子指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[15]。生境質(zhì)量評(píng)估反映了研究區(qū)域的環(huán)境適宜性，基于InVEST模型的生境質(zhì)量模塊確定空間生境質(zhì)量分布情況，用其倒數(shù)表示物種流動(dòng)的阻力，并結(jié)合基礎(chǔ)地形分析以及植被覆蓋度作為指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)過程流通的阻力面，實(shí)現(xiàn)潛在生態(tài)廊道的提取和篩選，可以為后續(xù)生態(tài)廊道的識(shí)別提供更為科學(xué)合理的景觀阻力面。

生境質(zhì)量模塊中需輸入的參數(shù)主要有當(dāng)前土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、區(qū)域主要生境脅迫因子及其影響范圍和權(quán)重、景觀類型對(duì)威脅源的敏感性程度參數(shù)以及生境適宜度參數(shù)等數(shù)據(jù)。本研究基于InVEST模型使用指南《生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估與權(quán)衡（InVEST）模型（3.2.0 版本）》中的得分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)Habitat Quality模塊輸入?yún)?shù)表（表1和表2）。

3.3 生態(tài)廊道辨識(shí)及重要生態(tài)廊道選擇

生態(tài)廊道是一種聯(lián)系生態(tài)源地、重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)性控制區(qū)的線狀斑塊區(qū)域，包括河流、山體林地、交通等廊道類型。篩選生態(tài)廊道可以維持和增加生境的連接，保持生態(tài)功能的完整性以及保護(hù)生物的多樣性。其識(shí)別方法主要分為關(guān)鍵生態(tài)資源選擇法和模型模擬法。

關(guān)鍵生態(tài)資源選擇法主要是選取對(duì)城市區(qū)域具有重要意義的具有線性特征的生態(tài)要素和生態(tài)實(shí)體，如城市綠化帶、主要河流及重要水體防風(fēng)林帶等。

模型模擬法主要有最小累積阻力模型法（Minimal cumulative resistance， MCR）、電路理論法（Circuit Theory）[16]、生物流情景模擬分析、網(wǎng)絡(luò)分析法模型（Analytic Network Process，ANP）、空間句法分析（Space Syntax）[17]。通過建立景觀阻力面，模擬各類生物體通過不同生態(tài)空間的運(yùn)動(dòng)阻力來識(shí)別潛在生態(tài)廊道。對(duì)生態(tài)廊道進(jìn)行初步提取之后，還需要采取廊道相對(duì)重要性分析，運(yùn)用定量分析廊道的相對(duì)重要性，明確生態(tài)廊道的先后保護(hù)順序。

基于InVEST模型的生境質(zhì)量評(píng)估建立景觀阻力面，再基于重力模型識(shí)別景觀面中多條具有一定寬度的路徑，并可通過生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間電流的強(qiáng)弱，確定生態(tài)廊道的相對(duì)重要性，最后構(gòu)建綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的方法更具有穩(wěn)定性和科學(xué)性。

3.4 生態(tài)節(jié)點(diǎn)的提取及其研究方法

生態(tài)節(jié)點(diǎn)是穩(wěn)定區(qū)域綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的景觀節(jié)點(diǎn)，分散布置在生態(tài)空間中，建立在各個(gè)生態(tài)廊道敏感區(qū)域，鞏固和強(qiáng)化了各個(gè)生態(tài)源地之間的聯(lián)系。

目前識(shí)別方法主要為基于各類阻力模型進(jìn)行的空間結(jié)構(gòu)分析，對(duì)通過各個(gè)生態(tài)廊道的電流強(qiáng)弱進(jìn)行分析，識(shí)別電流值最高的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)節(jié)點(diǎn)[18]。累計(jì)電流值越大的節(jié)點(diǎn)，對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及完整性就越重要。關(guān)鍵綠地節(jié)點(diǎn)的增加，可以提高綠地間的連通性，維持區(qū)域內(nèi)各生物的生存環(huán)境，進(jìn)而保護(hù)生物多樣性[19]，形成更為完整、布局良好的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

探索構(gòu)建綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的新途徑，具有重大的學(xué)術(shù)和社會(huì)價(jià)值。城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)將區(qū)域各類型綠地作為城市空間規(guī)劃的一部分，探討生態(tài)功能效力和網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)的相互作用，引導(dǎo)城市用地合理化布局。

近些年，綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究主要是基于空間優(yōu)先級(jí)的思想，選取生態(tài)源生態(tài)廊道及生態(tài)節(jié)點(diǎn)等景觀網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成要素，相比較技術(shù)方法，利用生態(tài)威脅因子對(duì)空間適宜性評(píng)價(jià)、生態(tài)重要性評(píng)價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究較少，過于關(guān)注綠地空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，而忽視了與生態(tài)功能的有效結(jié)合。因此，本文在總結(jié)學(xué)習(xí)上述學(xué)者研究方法的基礎(chǔ)上，提出引入InVEST模型的生境質(zhì)量模塊，以形態(tài)學(xué)格局分析和當(dāng)?shù)丶t線保護(hù)區(qū)域作為生態(tài)源地的提取依據(jù)，并以生境質(zhì)量、植物覆蓋度以及基礎(chǔ)地形分析作為指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)過程流通的阻力面，最后通過電路理論識(shí)別并優(yōu)化生態(tài)廊道及生態(tài)節(jié)點(diǎn)。這種方法科學(xué)評(píng)價(jià)了區(qū)域用地的生態(tài)服務(wù)功能，從生態(tài)本底功能和綠地空間結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面保證了綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的合理性和完整性，為相關(guān)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃實(shí)踐提供了指導(dǎo)與參考。

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作者簡介：王鈺雯（1995—），女，山東棗莊人，碩士在讀，研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

趙兵（1968—），男，浙江杭州人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃、風(fēng)景園林工程新技術(shù)、城市綠地與健康。